(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱インターフェイス構造を作製する方法であって、
基板から延びる実質的に整列したカーボンナノチューブの束のアレイを介在材料に埋め込んで、その介在材料に埋め込まれた実質的に整列したカーボンナノチューブの層を有する中間製品を形成し、
１つの物体の表面に係合される第１のほぼ平坦な表面と、別の物体の表面に係合される第２のほぼ平坦な表面とが実質的に整列したカーボンナノチューブに実質的に垂直に配向された熱インターフェイス構造を提供するように中間製品から余剰な材料を除去するステップより成り、
余剰な材料を除去するステップは基板を除去するステップを含む熱インターフェイス構造の作製方法。
【請求項２】
余剰の材料を除去するステップは中間製品を化学的機械研磨するステップを含む請求項１の方法。
【請求項３】
余剰な材料を除去するステップは中間製品をエッチングするステップを含む請求項１の方法。
【請求項４】
２つの物体の間に熱インターフェイス構造を形成する方法であって、
一方の物体に結合された実質的に整列したカーボンナノチューブの束のアレイを提供し、
実質的に整列したカーボンナノチューブの束のアレイを介在材料に埋め込んで、その介在材料に埋め込まれた実質的に整列したカーボンナノチューブの層を形成し、
一方の物体の表面に係合された第１のほぼ平坦な表面と、もう一方の物体の表面に係合される第２のほぼ平坦な表面とが実質的に整列したカーボンナノチューブに実質的に垂直に配向されるように余剰な材料を除去し、
アレイをもう一方の物体に結合するステップより成る熱インターフェイス形成方法。
【請求項５】
前記一方の物体に結合されたアレイを提供するステップは、前記一方の物体の表面上にカーボンナノチューブの束を形成するステップを含む請求項４の方法。
【請求項６】
前記一方の物体に結合されたアレイを提供するステップは、
基板上に該基板から延びる実質的に整列したカーボンナノチューブの束のアレイを形成し、
アレイを介在材料に埋め込み、
基板を除去し、
アレイを前記一方の物体に結合するステップより成る請求項４の方法。
【請求項７】
介在材料は、ポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリアセタール、ポリオキシメチレン及びポリホルムアルデヒドより成る群から選択されるポリマー材料である請求項１又は４の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】
本発明は、一般的に、電子回路の冷却に関し、さらに詳細には、カーボンナノチューブにより電子回路を含むダイの熱的性能を改善する熱インターフェイス構造の作製方法に関する。
【０００２】
本発明は、基板から延びるマトリックス状の配向カーボンナノチューブによりかかる熱インターフェイス構造を形成する方法に関する。
【０００３】
当業者であれば、図示説明される本発明の方法の各ステップの種々の変形例及び設計変更を、特許請求の範囲に記載された本発明の原理及び範囲から逸脱することなく想到できることがわかるであろう。
【０００４】
【実施例の説明】
図１は、コンピュータ１０のような電子装置の一部を示す立面図である。この電子装置１０のシリコンダイ１２は、この実施例では、有機基板１４上にフリップチップ・ボールグリッドアレイとして実装され、この有機基板１４はさらに別の基板１６上にはんだボール１８により固着されている。熱シンクプレート２０のような冷却用ソルーションは、図示の実施例では、熱インターフェイス構造２２によりダイ１２の表面に結合されている。
【０００５】
従来より、ダイと冷却用ソルーションとの間の熱抵抗を減少するために種々の熱インターフェイス材料が用いられている。一部の例では、耐熱グリースを熱インターフェイス材料として使用するが、その理由は、この材料はバルク熱伝導率が高く、熱シンク及びデバイスの表面のでこぼこに容易に順応するからである。しかしながら、耐熱グリースの使用には、ダイが発熱して、ダイ１２と有機基板１４との間の熱膨張率の違いにより反りが生じると、グリースが押し出され、相分離が起こる可能性があるという問題がある。別の例では、エポキシのような接着剤を熱インターフェイス材料として用いるが、これには、適用後の硬化プロセスを必要とするという欠点がある。シリコンまたは他のオレフィンのような種々の耐熱ジェルを熱インターフェイス材料として使用できるが、適用後に硬化させなければならず、耐熱グリースに比べると熱伝導率が低いという問題点がある。ウレタンゴムのようなある特定のエラストマーは高いバルク伝導率を有するが、接触抵抗が高いため適切な熱結合を得るには熱接合点に少なくとも１００ｐｓｉの高圧力を印加しなければならないという問題がある。最後に、低分子量のポリエステルのようなある特定の相変化物質も用いられているが、それらの熱伝導率が耐熱グリースに比べると小さいという問題がある。常用される熱インターフェイス材料の熱伝導率は、約１０Ｗ／ｍ−°Ｋである。
【０００６】
本発明の一実施例によると、熱インターフェイス構造は、介在するポリマー材料内にあるアレイ状の整列カーボンナノチューブにより形成される。カーボンナノチューブの熱伝導率は３０００Ｗ／ｍ−°Ｋの大きさであるため、熱インターフェイス構造にカーボンナノチューブを用いるとその熱伝導率が実質的に増加する。
【０００７】
図３は、カーボンナノチューブ２６のアレイ状の離隔した束２４が表面から延びる基板２８の一部を、ポリマー材料を添加注入する前の状態で、拡大して示す。かかるアレイは、Science, 282, 1105 (1998)のDr. Z. F. Renの論文に記載された化学的蒸着プロセスにより製造するNano-Lab, Inc.により市販されている。このプロセスで製造されるナノチューブ２６の束２４のアレイは、ガラス及びシリコンを含む種々の基板２８上で成長される。基板２８上に成長されるナノチューブ２６は整列関係にあり、ナノチューブの大部分は互いにほぼ平行で、基板２８にほぼ垂直に配向されている。ナノチューブの高さは通常はほとんど同一である。
【０００８】
本発明の熱インターフェイス構造２２は、ナノチューブの束２６が支持される基板２８から形成することができる。介在するポリマー材料３０は、ナノチューブを支持するためにナノチューブ束２６の周りに注入される。適当なポリマー材料には、ポリカーボネート、ポリプロピレン及びアセタールが含まれる。ポリマー材料３０を添加した後、ナノチューブを最初にその上に形成した基板２８を除去する。基板２８を除去する適当な方法として、機械的研削または化学的エッチングがある。
【０００９】
図２に示すように、熱インターフェイス構造２２の長さＬ及び幅Ｗは、ダイ１２の露出表面の外郭内に収まると共に実質的な熱交換表面を提供するように選択する。１つの実施例において、長さと幅はそれぞれ２ｃｍ及び１ｃｍである。
【００１０】
熱インターフェイス構造の最大厚さｔはカーボンナノチューブの長さによる制約を受けるが、通常は、約５乃至２０ミクロンの範囲内である。もちろん、熱インターフェイス構造２２の厚さを増加すると、ダイと熱シンクとの間の熱インピーダンスが増加する。図４に示すように、カーボンナノチューブは、互いにほぼ平行に、また構造２２の上面及び底面にほぼ垂直に向いているが、その理由は、長手方向軸に沿って熱伝導率が最大になるからであり、熱をダイ１２と熱シンク２０との間の最短径路を通って伝導させるのが望ましい。
【００１１】
図５は、熱インターフェイス構造を形成する方法の１つの実施例を略示するフローチャートである。ステップ５２において、カーボンナノチューブの束２６のアレイ２４は、基板２８から延びる。このアレイは介在材料３０内に埋め込まれており、この材料はポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリアセタール、ポリオキシメチレン、ポリホルムアルデヒドより成る群から選択されるポリマー材料である。介在材料３０は熱可塑性であり、溶融状態で注入されてアレイに埋め込まれ、インターフェイス構造が形成される。
【００１２】
ステップ５４では、余剰の介在材料３０を、このインターフェイス構造及びナノチューブの束を最初に成長させた基板２８から除去する。この除去プロセスは、化学的機械研磨プロセスまたは機械的研削により行なうことができる。ステップ５４が終了すると、熱インターフェイス構造は完成する。この構造を形成する間中、カーボンナノチューブは互いに整列関係にあり、余剰の介在材料及び元の基板を除去すると、カーボンナノチューブの端部は、冷却すべき物体が係合する熱インターフェイス構造の表面及び熱インターフェイス構造が結合される冷却用ソルーションの表面に来る。
【００１３】
熱インターフェイス構造が２つの物体の表面間を熱的に結合し、また熱インターフェイス構造に圧力がかけられると、介在材料が降伏するため、たとえ表面にでこぼこがあっても、カーボンナノチューブはそれを挟持する物体の表面と強固に熱的接触することができる。
【００１４】
図６は、２つの物体間を熱的に結合するプロセスを示す。ステップ６２において、ナノチューブのアレイを一方の物体に結合する。１つの実施例において、ナノチューブのアレイは実際は別個の基板上でなくて物体の表面上に成長させてもよい。その実施例では、カーボンナノチューブを形成させる温度及び他の条件が、ナノチューブのアレイが成長する物体により許容される温度範囲及び露出時間内になるようにする必要がある。この実施例では、ステップ６４における介在材料の注入及び余剰な材料の除去を図５に示すステップとほぼ同じ態様で行なう。
【００１５】
別の実施例において、ステップ６２は、ナノチューブを別個の基板上に形成した後で実行し、ステップ６４において介在材料を適用した後にステップ６６において余剰の材料を除去する。
【００１６】
図６に示すプロセスの実施例では、ステップ６８では、アレイのもう一方の表面をもう一方の物体と結合する。１つの実施例において、一方の物体は熱シンクのような冷却用ソルーションであり、もう一方の物体は半導体ダイである。１つの実施例では、カーボンナノチューブを成長される時、ステップ６２において何れかの物体はカーボンナノチューブを受けることができる。このプロセスを用いると、その物体に特に強力な熱結合が形成されるという別の利点が得られる。
【００１７】
特定の実施例に関する上記記載は、当業者が本発明の一般的な思想から逸脱することなく、種々の変形例及び設計変更を想到できるように十分に本発明を説明したものである。従って、かかる変形例及び設計変更は本発明の範囲内に包含される。
【００１８】
本願に用いた用語は説明のためであって限定の目的を有さないことに注意されたい。従って、本発明は、頭書の特許請求の範囲に包含される全ての変形例及び設計変更を含むものと意図されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一実施例である熱インターフェイス構造により冷却プレートに結合されたフリップチップ電子デバイスの立面図である。
【図２】図２は、ポリマー材料を添加した図１の熱インターフェイス構造の一部の斜視図であり、アレイ状のカーボンナノチューブ束を示す。
【図３】図３は、熱インターフェイス構造の概略斜視図であり、熱インターフェイス構造の表面に分布させたカーボンナノチューブ束を誇張して示す。
【図４】図４は、図３の熱インターフェイス構造の断立面図であり、熱が電子デバイスの表面から熱シンクへ流れる態様を示す。
【図５】図５は、本発明の一実施例に従って熱インターフェイス構造を作製するプロセスを示すフローチャートである。
【図６】図６は、本発明の一実施例に従って２つの物体間に熱伝導路を提供するプロセスのフローチャートである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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